Координатно-измерительная машина

 

Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобретения - повышение точности измерения. Цель достигается за счет того, что на штанге 6 закреплено устройство для ориентации измерительной головки, выполненное в виде двух рамок карданного подвеса, внутри которых на платформе установлены два акселерометра, оси которых взаимно перпендикулярны закреплена измерительная головка, и датчики момента и угла. На установочной плите установлена гировертикаль, представляющая собой трехстепенной гироскоп с вертикальным расположением ротора. Устройство стабилизации измерительной головки и гировертикаль электрически связаны с системой управления на базе ЭВМ, включающей усилители, дифференцирующие, коммутирующие элементы и элементы сравнения. 4 ил., 2 табл.

Изобретение относится к техническим измерениям в машиностроении и может быть использовано для линейных и угловых измерений деталей сложной формы.

Известны координатно-измерительные машины [1] [2] содержащие установочную плиту, направляющие движения измерительной головки в направлении трех пространственных координат, измерители осевого перемещения, измерительную головку и систему управления и автоматизированной обработки информации. Однако, известные координатно-измерительные машины обладают погрешностью, обусловленной изменением угловой ориентации измерительной головки в процессе перемещения ее вдоль координатных осей, вызванной деформацией несущих механических частей конструкций машины.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является координатно-измерительная машина, содержащая основание установленный на ней с возможностью поворота относительно своей оси стол для размещения измеряемой детали, размещенные симметрично относительно стола направляющие, установленную с возможностью перемещения по направляющим поперечину, установленную на поперечине с возможностью перемещения по ней стойку, размещенную на стойке с возможностью перемещения П-образную каретку и связанную с кареткой измерительную головку, предназначенную для соединения с электронно-вычислительной машиной (ЭВМ) [3] Недостатком этого решения является погрешность, обусловленная изменением угловой ориентации измерительной головки в процессе перемещения ее вдоль координатных осей, вызванной деформацией несущих механических частей конструкции. Целью предлагаемого изобретения является повышение точности координатных измерений.

Указанная цель достигается тем, что координатно-измерительная машина, содержащая основание, установленный на ней с возможностью поворота относительно своей оси стол для размещения измеряемой детали, размещенные симметрично относительно стола направляющая, установленную с возможностью перемещения по направляющим поперечину, установленную на поперечине с возможностью перемещения по ней стойку, размещенную на стойке с возможностью перемещения П-образную каретку и связанную с кареткой измерительную головку, предназначенную для соединения с электронно-вычислительной машиной (ЭВМ), согласно предлагаемого изобретения, она снабжена размещенным на поперечной П-образной каретке механизмом ориентации измерительной головки, выполненным в виде двухстепенного карданного подвеса, включающего корпус, шарнирно закрепленную в нем рамку, вторую рамку, шарнирно закрепленную внутри первой рамки, закрепленную на второй рамке платформу, на которой закреплена измерительная головка, два акселерометра, размещенные на платформе так, что их оси чувствительности взаимно перпендикулярны, датчики угла поворота и момента, размещенные на соответствующих рамках, и размещенной на основании гировертикалью с закрепленными в ее корпусе с возможностью поворота во взаимно перпендикулярных плоскостях двумя рамками и датчиками угла поворота и момента, установленными на соответствующих рамках гировертикали, предназначенными для соединения с ЭВМ, усилителями сигналов акселерометров и двумя дифференцирующими блоками, двумя элементами сравнения и четырьмя коммутирующими блоками, первый акселерометр через первый усилитель и нормально замкнутые контакты второго и третьего коммутирующих блоков электрически связан с датчиком момента, установленным на оси первой рамки гировертикали, второй акселерометр через нормально замкнутые контакты второго и третьего коммутирующих блоков и второй усилитель электрически связан с датчиком момента, установленным на оси второй рамки гировертикали, выход датчика угла, установленного на оси первой рамки гировертикали, электрически связан с первым входом третьего усилителя, выход которого электрически связан с датчиком момента, установленным на оси первой рамки механизма ориентации, выход датчика угла, установленного на оси первой рамки гировертикали, электрически связан с первым входом четвертого усилителя, выход четвертого усилителя электрически связан с датчиком момента, установленным на оси второй рамки механизма ориентации электрически связан с входом пятого усилителя, выход пятого усилителя электрически связан с входом первого дифференцирующего блока и первым входом первого элемента сравнения, второй и третий входы которого предназначены для подключения соответственно к первому и второму выходам ЭВМ, выход первого элемента сравнения подключен к первому входу первого коммутирующего блока, второй вход которого предназначен для подключения к второму выходу ЭВМ, выход первого дифференцирующего блока электрически связан со вторым входом третьего усилителя, выход датчика угла, установленного на оси второй рамки механизма ориентации, электрически связан с входом шестого усилителя, выход которого электрически связан с входом второго дифференцирующего блока электрически связан со вторым входом четвертого усилителя, вход второго коммутирующего блока предназначен для подключения к второму выходу ЭВМ, второй вход второго блока сравнения объединен с вторым входом четвертого и входом третьего коммутирующих блоков и предназначены для подключения к четвертому выходу ЭВМ, третий вход второго блока сравнения через нормально разомкнутые контакты четвертого коммутирующего блока объединен с выходом второго усилителя и датчиком момента, установленным на оси второй рамки гировертикали и предназначен для подключения к третьему выходу ЭВМ, а выход второго блока сравнения соединен с первым входом четвертого коммутирующего блока.

На фиг. 1 изображена общая схема координатно измерительной машины.

На фиг. 2 изображена схема стабилизирующего устройства с системой управления изображения.

На фиг. 3 система координат.

На фиг. 4 общий вид координатно-измерительной машины.

Координатно-измерительная машина включает в себя установочную плиту 1, две призматические направляющие 2, установленные вдоль координатной оси Y, поворотный стол 3 для установки измеряемой детали, на призматических направляющих 2 в аэростатических опорах размещена направляющая 4, осуществляющая перемещение вдоль оси Х, на которой в аэростатических опорах установлена вертикальная стойка 5, на которой вдоль оси Z перемещается, установленная в аэростатических опорах каретка 6. На горизонтальной штанге каретки 6 закреплено устройство для ориентации измерительной головки, содержащее корпус 7, в котором в шарикоподшипниках установлена наружная рамка 8 карданового подвеса, в которой в шарикоподшипниках установлена внутренняя рамка 9 карданного подвеса, внутри которой жестко закреплена платформа 10, снизу к внутренней рамке 9 закреплена измерительная головка 11. В направлении оси Y перемещение каретки 6 измеряется измерительной линейкой 12, привод движения направляющей 4 в направлении оси Y включает в себя: электродвигатель 13, редуктор 14, ленточный привод 15, измерение перемещения вдоль оси Х осуществляется измерительной линейкой 16, привод включает в себя: электродвигатель 17, редуктор 18, ленточный привод 19, измерение перемещения вдоль оси Z осуществляется линейкой 20, привод движения каретки 6 вдоль оси Z осуществляется электродвигателем 21, через редуктор 22 и ленточный привод 23.

На платформе 10 установлены два акселерометра 24 и 25, ось чувствительности акселерометра 24 расположена в горизонтальной плоскости и направлена вдоль оси Х, ось чувствительности акселерометра 25 расположена в горизонтальной плоскости перпендикулярно оси чувствительности акселерометра 24 и направлена вдоль оси Y, на оси наружной рамки 8 стабилизирующего устройства установлены датчики момента 26 и датчик угла 27, на оси внутренней рамки 9 стабилизирующего устройства установлены датчики угла 28 и датчик момента 29, на основании 1 установлена гировертикаль, представляющая из себя трехстепенной гироскоп с вертикальным расположением оси ротора, включающая в себя наружную рамку 30, установленную в подшипниках корпуса, внутри наружной рамки 30 в шарикоподшипниках размещена внутренняя рамка 31, на вертикальной оси которой в шарикоподшипниках установлен ротор 32, на оси внутренней рамки 31 размещены датчик момента 33 и датчик угла 34, на оси наружной рамки 30 размещены датчик момента 35 и датчик угла 36, в канале измерения акселерометра 24 установлен усилитель 37, в канале измерения датчика угла 27 установлен усилитель 38 и дифференцирующий блок 39, в канале датчика угла 28 установлен усилитель 40 и дифференцирующий блок 41, в канале датчика угла 34 гировертикали установлен усилитель 42, в канале измерения датчика угла 36 установлен усилитель 43, в канале изменения акселерометра 25 установлен усилитель 44, разворот измерительной головки на заданный угол отклонения v3 вокруг оси внутренней рамки 9 стабилизирующего устройства осуществляется с помощью элемента сравнения 45, коммутирующих устройств 46 и 47, а разворот измерительной головки на заданный угол ϕ₃ вокруг оси наружной рамки осуществляется с помощью элемента сравнения 48 и коммутирующих устройств 49 и 50, управление поворотами измерительной головки осуществляется ЭВМ 51 системы управления координатно-измерительной машины, балансировка платформы 10 осуществляется грузами 52 и 53. Выход акселерометра 24 электрически связан со входом усилителя 37, выход усилителя 37 через нормально замкнутые контакты коммутирующих устройств 47 и 49 электрически связан с датчиком момента 35, выход акселерометра 25 электрически через нормально замкнутые контакты коммутирующих устройств 47 и 49 связан с усилителем 44, выход которого электрически связан с датчиком момента 33, выход датчика угла 27 электрически связан со входом усилителя 38, выход которого электрически связан со входом дифференцирующего блока 39 и первым входом элемента сравнения 48, выход дифференцирующего блока 39 электрически связан со вторым входом усилителя 42, выход датчика угла 28 электрически связан со входом усилителя 40, выход которого электрически связан со входом дифференцирующего блока 41 и первым входом элемента сравнения 45, выход дифференцирующего блока 41 электрически связан со вторым входом усилителя 42, выход датчика угла 34 гировертикали электрически связан с первым входом усилителя 42, выход датчика угла 36 гировертикали электрически связан с первым входом усилителя 43, выход усилителя 42 электрически связан с датчиком момента 26, выход усилителя 42 электрически связан с датчиком момента 29, первый выход ПЭВМ 51 электрически связан со вторым входом элемента сравнения 45, и через нормально разомкнутый контакт коммутирующего устройства 46 электрически связан с датчиком момента 35, второй выход ЭВМ 51 электрически связан со входом коммутирующего устройства 47, вторым входом коммутирующего устройства 46, и третьим входом элемента сравнения 45, третий выход ЭВМ 51 электрически связан со вторым входом элемента сравнения 48 и через нормально разомкнутый контакт коммутирующего устройства 50 электрически связан с датчиком момента 33, четвертый выход ЭВМ 51 электрически связан с третьим входом элемента сравнения 48, входом коммутирующего устройства 49, и вторым входом коммутирующего устройства 50; выход элемента сравнения 45 электрически связан с коммутирующим устройством 46, выход элемента сравнения 48 электрически связан с коммутирующим устройством 50.

Координатно-измерительная машина работает следующим образом. Измеряемая деталь устанавливается на поворотный стол 3, по программе персональной ЭВМ задается положение каретки по координате Х, которое сравнивается с фактическим положением координаты каретки Х_ф, вырабатывается сигнал рассогласования X_ф-X=ΔX,, который поступает на двигатель привода по координате Х перемещает каретку в сторону уменьшения рассогласования. При условии ΔX=0, система управления включает систему стабилизации и подает на двигатель привода сигнал от измерительной головки. Когда происходит касание головки измеряемой детали, выдается сигнал на считывание информации с измерительной линейки, а также сигнал на передачу данных в ЭВМ, где происходит сравнение реальных результатов с номинальными, далее по программе производится переход в следующую точку измерения. При этом устройство стабилизации обеспечивает высокую точность измерения параметров. Достигается это следующим образом.

На фиг. 3 показано расположение системы координат, связанной с координатно-измерительной машиной XOYZ, при чем оси OX, OY расположены в горизонтальной плоскости и ось OZ направлена вертикально, система координат X₁OY₁Z₁ связана с измерительной головкой, между системами координат XOYZ и X₁OY₁Z возникают в процессе измерения углы рассогласования ν и ϕ,, обусловленные деформацией несущих конструкций, погрешностей юстировки.

Направляющие косинусы системы координат X₁OY₁Z в системе OXYZ запишутся в виде табл. 1.

С учетом малости углов ν и ϕ таблица направляющих косинусов имеет вид (см. табл.2).

Пусть измеренные значения в координатах головки: Тогда с учетом табл. направляющих косинусов значения измеренных величин можно представить в виде: Следовательно, согласно (1), измеряемые расстояния в системе координат машины будут иметь погрешности, обусловленные перекрестными связями для расстояния в направлении координаты Х: в направлении координаты в направлении координаты Z: где результаты измерений расстояний в системе X₁OY₁Z₁.

Рассмотрим работу стабилизирующего устройства при наличии углового рассогласования V. Этот угол рассогласования соответствует отклонению от горизонта оси чувствительности акселерометра 24 (см.фиг.2), напряжение выхода акселерометра 24 запишется в виде:
U_a=k_aν (2)
где U_a напряжение выхода акселерометра;
k_a крутизна характеристики акселерометра;
ν угол рассогласования между плоскостью горизонта и осью чувствительности акселерометра;
далее, напряжение с выхода акселерометра 24 подается на вход усилителя 48, с выхода которого напряжение равное:
(3)
где коэффициент усиления усилителя 37;
подается на вход датчика момента 35, который развивает момент равный:
(4)
где крутизна характеристики датчика момента 35, и приложенной к оси наружной рамки 30 гировертикали, под действием момента (4), ротор 32 гироскопа прецессирует вокруг оси внутренней рамки 31 с угловой скоростью:
(5)
угловая скорость прецессии;
H кинетический момент ротора.

Тогда угол отклонения внутренней рамки 31, измеряемый датчиком угла 34, запишется в виде:
(6)
где t время.

Напряжение выхода датчика угла 34 с учетом (4) имеет вид:
(7)
где крутизна характеристики датчика угла 34.

Это напряжение усиливается усилителем 42, на выходе которого имеем:
(8)
С выхода усилителя 42 напряжение поступает на датчик момента 29, который развивает момент:
(9)
где крутизна характеристики датчика угла 29.

Вместе с тем, напряжение выхода датчика угла 28, равное:
(10)
где крутизна характеристики датчика угла 28.

Это напряжение поступает на вход усилителя 40, напряжение выхода которого, равное:
(11)
где коэффициент усиления усилителя 40 подается на вход дифференцирующего блока 41, на входе которого имеем:
(12)
Это напряжение подается на второй вход усилителя 42, напряжение выхода которого, равное:
(13)
поступает на вход датчика момента 29, который развивает демпфирующий момент:
(14)
Кроме того, вокруг оси внутренней рамки 8 устройства стабилизации действует момент неуравновешенности измерительной головки:
M_ну= mgl_oV (15)
где m масса измерительной головки 11;
l_o координата центра тяжести системы внутренняя рамка 9 головка 11;
g ускорение силы тяжести.

С учетом (9), (14), (15) уравнение движения наружной рамки 8 стабилизирующего устройства имеет вид:
(16)
где τ₁ момент инерции системы наружная рамка 8 внутренняя рамка 9.

Проинтегрировав (16) получим:
(17)
Откуда следует, что статическое отклонение системы ν=0.. Аналогично работает канал стабилизации по углу ϕ.. Следовательно, стабилизирующее устройство позволяет устранить угловое рассогласование между системами координат XOYZ и X₁OY₁Z₁ (см.фиг.3) и исключить погрешности типа
присутствующие в выражениях (1).

Рассмотрим режим работы стабилизирующего устройства при развороте измерительной головки на заданный угол.

Пусть необходимо развернуть измерительную головку 11 вокруг оси наружной рамки 8 на заданный угол ϕ₃. Тогда с третьего выхода ЭВМ 51 подается напряжение, равное:
U_эвм= k_эвмϕ₃ (18)
где k_эвм крутизна характеристики преобразователя ЭВМ.

На первый вход элемента сравнения 48 одновременно с четвертого выхода ЭВМ 51 подается команда на включение элемента сравнения 48, а также на включение коммутирующих устройств 49 и 50. При этом размыкаются контакты Р3 и замыкается контакт Р4, подавая напряжение (18) на датчик момента 33, который развивает момент:
(19)
Под действием момента (19) ротор гироскопа 32 прецессирует вокруг оси наружной рамки 30, напряжение выхода датчика угла 36:
(20)
где крутизна датчика угла 36, подается на вход усилителя 43, с выхода которого напряжение:

где коэффициент усиления усилителя 43 подается на датчик момента 26, который развивает момент:
(22)
Момент (22) вызовет отклонение наружной рамки 8, которое фиксируется датчиком угла 27, напряжение выхода которого:
(23)
где крутизна характеристики датчика угла 27;
ϕ- угол поворота наружной рамки 8.

Напряжение (23) подается на вход усилителя 38, с выхода которого напряжение:
(24)
где коэффициент усиления усилителя 38 подается на первый вход элемента сравнения, и тогда:
(25)
При ; ϕ=ϕ₃ и напряжение на выходе элемента сравнения 48 равно нулю. При этом выключается коммутирующее устройство 50, размыкаются контакты Р4, прецессия ротора 32 прекращается.

Тогда условие равновесия наружной рамки 8 с учетом (22), имеет вид:
(26)
Пусть отклонение рамки от заданного угла Δϕ.. Схема работает аналогично вышеизложенному, уравнение движения наружной рамки 8 записывается в виде, аналогичном (16), но угол нельзя считать малым (мал угол Δϕ)). Тогда выражение неуравновешенного момента будет иметь вид:
(27)
но,
sin(ϕ₃+Δϕ)≈sinϕ₃+Δϕcosϕ₃ (28)
Уравнение движения наружной рамки 8 с учетом (27), (28), (19) примет вид:
(29)
где τ₂ момент инерции наружной рамки 8.

Учитывая равенство (26) получим уравнение движения наружной рамки 8 в возмущениях:
(30)
Продифференцировав уравнение (30), получим:
(31)
Частное решение уравнения (31) Δϕ=0,, следовательно, стабилизирующее устройство осуществляет стабилизацию заданного угла поворота ϕ..

Предлагаемая координатно-измерительная машина позволяет по сравнению с прототипом осуществить стабилизацию измерительной головки в системе координат машины, а также стабилизировать положение измерительной головки при развороте ее на заданный угол, что позволит повысить точность измерений. ТТТ1 1

Формула изобретения

Координатно-измерительная машина, содержащая основание, установленный на нем с возможностью поворота относительно своей оси стол для размещения измеряемой детали, размещенные симметрично относительно стола направляющие, установленную с возможностью перемещения по направляющим поперечину, установленную на поперечине с возможностью перемещения по ней стойку, размещенную на стойке с возможностью перемещения П-образную каретку и связанную с кареткой измерительную головку, предназначенную для соединения с электронно-вычислительной машиной (ЭВМ), отличающаяся тем, что, с целью повышения точности измерения, она снабжена размещенным на поперечине каретки механизмом ориентации измерительной головки, выполненным в виде двухстепенного карданного подвеса, включающего корпус, шарнирно закрепленную в нем рамку, вторую рамку, шарнирно закрепленную внутри первой рамки, закрепленную на второй рамке платформу, на которой закреплена измерительная головка, два акселерометра, размещенные на платформе так, что их оси чувствительности взаимно перпендикулярны, датчики угла поворота и момента, размещенные на соответствующих рамках, и размещенной на основании гировертикалью с закрепленными в ее корпусе с возможностью поворота во взаимно перпендикулярных плоскостях двумя рамками и датчиками угла поворота и момента, установленными на соответствующих рамках гировертикали и предназначенными для соединения с ЭВМ, усилителями сигналов акселерометров и двумя дифференцирующими блоками, двумя элементами сравнения и четырьмя коммутирующими блоками, первый акселерометр через первый усилитель и нормально замкнутые контакты второго и третьего коммутирующих блоков электрически связан с датчиком момента, установленным на оси первой рамки гировертикали, второй акселерометр через нормально замкнутые контакты второго и третьего коммутирующих блоков и второй усилитель электрически связан с датчиком момента, установленным на оси второй рамки гировертикали, выход датчика угла, установленного на оси первой рамки гировертикали, электрически связан с первым входом третьего усилителя, выход которого электрически связан с датчиком момента, установленным на оси первой рамки механизма ориентации, выход датчика угла, установленного на оси первой рамки гировертикали, электрически связан с первым входом четвертого усилителя, выход четвертого усилителя электрически связан с датчиком момента, установленным на оси второй рамки механизма ориентации, выход датчика угла, установленного на оси второй рамки механизма ориентации, электрически связан с входом пятого усилителя, выход пятого усилителя электрически связан с входом первого дифференцирующего блока и первым входом первого элемента сравнения, второй и третий входы которого предназначены для подключения соответственно к первому и второму выходами ЭВМ, выход первого элемента сравнения подключен к первому входу первого коммутирующего блока, второй вход которого предназначен для подключения к второму выходу ЭВМ, выход первого дифференцирующего блока электрически связан с вторым входом третьего усилителя, выход датчика угла, установленного на оси второй рамки механизма ориентации, электрически связан с входом шестого усилителя, выход которого электрически связан с входом второго дифференцирующего блока и первым входом второго элемента сравнения, выход второго дифференцирующего блока электрически связан с вторым входом четвертого усилителя, вход второго коммутирующего блока предназначен для подключения к второму выходу ЭВМ, второй вход второго блока сравнения объединен с вторым входом четвертого и входом третьего коммутирующих блоков и предназначен для подключения к четвертому выходу ЭВМ, третий вход второго блока сравнения через нормально разомкнутые контакты четвертого коммутирующего блока объединен с выходом второго усилителя и датчиком момента, установленным на оси второй рамки гировертикали, и предназначен для подключения к третьему выходу ЭВМ, а выход второго блока сравнения соединен с первым входом четвертого коммутирующего блока.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5